（机械电子工程专业论文）基于arm和μcosⅡ的智能直流校验表的研制.pdf

摘要 摘要 目前国内的大多数通用直流电参数测量设备，精度等级一般为0 5 级或0 2 级，精度更高的测量仪表( 校表) 一般为0 1 0 0 5 级。而数字仪表使用的c p u 大多数仍采用8 位或1 6 位单片机，由于其处理速度慢，不易实现更多的功能。 软件上还是采用汇编语言编程，流程上沿用传统的线性程序，不便于软件的升 级和维护。而国外高精度的测量设备往往价格很高。为了更好地满足计算过程 中准确性、精确性、快速性以及日后客户对仪表功能上的升级要求，克服目前 国内现行的直流电参数测量仪器存在的局限，同时获得更高的性价比，本文在 充分分析和吸收当前国内外数字仪表的先进技术和经验后，研制了一种基于3 2 位a r m 和嵌入式实时操作系统p c o s i i 的智能直流校验表，精度已达到了o 0 5 级，该仪器是目前国内直流电参数测量的最高性能仪器之一，可广泛用于实验 室、计量院所、电力系统等部门作为o 1 级、0 0 5 级直流电压、电流测量标准或 现场检测。 本文首先对直流表的各种测量功能和精度要求进行了分析，提出了仪器的 总体框架和满足测量精度要求的措施。本装置硬件上采用a r m 结构，以恩智浦 公司的a r m 微控制器( l p c 2 1 3 4 ) 为控制核心，实现测量、校准、通信和显示 功能。软件上则基于嵌入式实时操作系统i _ t c o s i i 进行了仪表的总体程序设计。 在介绍了对直流表硬件电路的设计及驱动程序的编写后，再简单阐述了 p c o s i i 的一些基本概念和在a r m 微控制器( l p c 2 1 3 4 ) 上的移植，并详细介 绍了基于“c o s i i 平台应用程序的任务划分，在设计了全部程序后，探讨了误 差的分类和产生原因，并对实验结果进行了分析。 关键词：直流表、a r m 、l x c o s i i a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ep r e c i s i o ng r a d eo ft h em a j o r i t yo fd o m e s t i cu n i v e r s a lm e a s u r e m e n t e q u i p m e n to fd cp a r a m e t e r si sg e n e r a l l y0 5 o r0 2c l a s s ，a n dt h em e a s u r i n g i n s t r u m e n t 、析t l lh i g h e rp r e c i s i o ni so 1 - 4 ) 0 5c l a s s h o w e v e r , m o s tc p ua d o p t e db y i t s d i g i t a lm e t e ri s s t i l l8 16 一b i t s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r d u et ot h es l o w p r o c e s s i n gs p e e d i t sn o te a s yt or e a l i z em o r ef u n c t i o n s m o r e o v e r , s t i l lu s i n go f a s s e m b l el a n g u a g ep r o g r a m m i n ga n dt r a d i t i o n a ll i n e rp r o g r a mf l o wi sn o tc o n v e n i e n t t os o f t w a r eu p g r a d ea n dm a i n t e n a n c e c o n s i d e r i n gt h ep r i c eo ff o r e i g nm e a s u r e m e n t e q u i p m e n t 丽t 1 1t h es a m ep r e c i s i o ni so f t e nh i g h ，t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h e a c c u r a c y , p r e c i s i o na n dr a p i d i t yi nt h ec a l c u l a t i o np r o c e s s ，t ob e t t e rm e e tt h ef u t u r e c o n s r m e r s r e q u i r e m e n t sf o ru p g r a d i n gi n s t r u m e n tf u n c t i o n s ，t oo v e r c o m e t h e l i m i t a t i o n so ft h ec u r r e n td o m e s t i cd cp a r a m e t e rm e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n dt o a c h i e v eh i g h e rp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i o ，t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n td ca m m e t e rb a s e d o n3 2 - b i ta r ma n de m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi t c o s - i ii sd e v e l o p e d u n d e rt h ei n t e n s i v e a n a l y s i sa n da b s o r p t i o n o ft h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n d e x p e r i e n c eo fc u r r e n td i g i t a lm e t e ra th o m ea n da b r o a di nt h i sp a p e r , w h i c hp r e c i s i o n r e a c h e s0 0 5c l a s s b e i n go n eo fd o m e s t i cd cp a r a m e t e rm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s f e a t u r i n g i n t h e h i g h e s tp e r f o r m a n c e ，t h i si n s t r u m e n tc a nb ew i d e l yu s e di n l a b o r a t o r i e s ，m e t r o l o g yi n s t i t u t e s ，a n dp o w e rd e p a r t m e n t sr e s p e c t i v e l ya s0 1 o 0 5 c l a s sd cv o l t a g e s ，c u r r e n tm e a s u r i n gs t a n d a r da n df i e l dd e t e c t i o n t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h ev a r i o u sm e a s u r i n gf u n c t i o n sa n dr e q u i r e m e n t sf o r m e a s u r i n gp r e c i s i o no fd ct e s t e r , a n dp r o p o s e st h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fi n s t n t m e n t a n dt h em e a s u r e st om e e tt h ed e m a n d so fm e a s u r i n gp r e c i s i o n t h ek e r n e lh a r d w a r e i nt h i sd e v i c ei sa r ms t r u c t u r e i nw h i c ht h es y s t e mo fc o n t r o lc o r e 、j l ，i ma r m m i c r o c o n t r o l l e rl p c 213 4o fn x p c o r p o r a t i o nc a nr e a l i z e st h ef u n c t i o n so fm e a s u r e ， c a l i b r a t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n dd i s p l a y t h ed e s i g no fa p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g b a s e do ni t c o s - i ip l a t f o r mi ns o f t w a r e a f t e ri n t r o d u c t i o n i n gh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h ee n t i r ed ct e s t e ra n dt h e c o m p i l i n gd r i v e r so fe a c hh a r d w a r ed e v i c e ，g e n e r a lp r o g r a m m i n gd e s i g no ft h e i i a b s t r a c t i n s t r u m e n ti sg i v e nb a s e do ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m t x c o s i i a f t e ra b r i e fi n t r o d u c t i o no fs o m eb a s i cc o n c e p ta b o u tj _ t c o s i i i sp r e s e n t e d ，a n di te x p l a i n h o wt h e p c o s i i r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m h a sb e e n t r a n s p l a n t e d i i l l p c 213 4 f i n a l l y , t h ee r r o rc l a s s i f i c a t i o na n d c a u s e sa r ei l l u s t r a t e da n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：d ca m m e t e r , a r m ，i _ t c o s - i i i l i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位敝储签名( 手写) ：立。p 答字日期：7 叫肌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：砂级导师签名：罗砀许 i l 签字日期：岫彳年z 月f f 日 签字日期：私卵年月1 日 |。l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 近年来，计算机技术和微电子技术的迅猛发展，为电子测量和测量仪器增 添了新的活力。电子计算机尤其是微型计算机与电子测量仪器相结合，构成了 一代崭新的仪器和测试系统，即人们通常所说的“智能仪器”和“自动测试系统”， 它们具有对若干电参数进行自动测量、自动量程选择、数据记录和处理、数据 传输、误差修正、自检自校、故障诊断以及在线测试等多种功斛1 1 ，不仅改变了 若干传统测量概念，对整个电子技术和其他科学技术的发展产生了巨大推动作 用。传统的机械电表也因其固有的技术限制，在原理和应用中存在各种各样无 法克服的困难，如精度无法达到更高的标准，功能单一，无法适应现在的监控 管理系统等等，正淡出市场 2 1 。而目前嵌入式系统在各个领域的研究和应用已经 成为热点，现在越来越多的中小型系统中普遍采用了嵌入式操作系统。因此对 于自动化仪表的发展而言，采用新的设计模式，在实时操作系统的强大支持下， 选择高性能的嵌入式微处理器，设计和开发高级智能化网络化的新型仪器仪表， 必将成为行业发展的趋势。 从总的发展来看，我国常规的以晶体管和中小规模集成电路为主体的仪器， 正在进行由模拟到数字化的转变，以个人计算机为基础构成的个人仪器及自动 测试系统正处在大力研制和试生产阶段，带微控制器的仪器也已有不少品种。 但在该转变过程中，电子测量仪器的设计向高精度、低功耗、智能化迈进则是 明显的趋势。目前电子测量仪器的微控制器一般多采用8 位或1 6 位单片机，这 对测量仪器工作在数据精度要求不高和运行速度不高的场合没有多大问题，但 随着仪表功能的逐渐复杂化，数据量的逐渐增大、精度与实时性要求都很高时， 单片机往往无法胜任，并且在仪器仪表的设计中，过去常采用前后台系统的设 计方法( 中断服务程序处理异步事件；应用程序是一个无限的循环，循环中调 用相应的函数完成相应的操作) ，这时，时间相关性很强的关键操作靠中断服务 来保证，然而，这样设计的程序在实时性和扩展性上都比采用多任务系统设计 的程序差很多，多任务系统使得应用程序的设计过程大为简化。嵌入式操作系 统的方式常被用于比较复杂的系统，这与系统的成本有很大的关系，例如：使 第一章绪论 用操作系统对c p u 有更高的要求，需要更多的r a m 和r o m ，以及需要支付操 作系统本身的费用。随着计算机、微电子等软硬件技术的不断发展，适合于嵌 入式系统应用的3 2 位的a r m 微控制器价格越来越低，再加上操作系统的支持， 如肛c o s 、l i n u x 和w i n d o w sc e 等。嵌入式系统得到了很大程度上的发展并改 变了人们的生活、工作和娱乐方式，己在很多产业中得到了广泛的应用，如工 业自动化、国防、运输和航天领域，而且这些改变还在加速。即使在日常生活 中，也存在各种各样的嵌入式系统，如御3 、d v d 、手机等。本设计中所讨论 的智能直流表也属于一个嵌入式系统。目前，以嵌入式操作系统为平台开发将 成为嵌入式设计的一个主流，这是因为使用嵌入式平台开发有很多优势：缩短 开发周期、缩短开发时间、降低开发成本、增加稳定性和可靠性以及降低软件 对硬件变化的敏感性 3 1 。因此，嵌入式系统的使用对于加快仪表设计进程，提高 开发效率，缩短开发周期，充分发挥3 2 位c p u 的潜力有很大的作用，同时在精 度、速度、可靠性及成本上又都能达到一个趋于和谐的统一。 基于以上论述，本文的立足点是以a d 转换器为核心，采用3 2 位 a r m 7 t d m i 嵌入式芯片作为控制器，以及其它价格低廉的电子元件设计出一种 新型的低成本、低功耗、高性能的智能直流表，可广泛用于试验室、实验室、 计量院所、电力系统等部门作为直流电压、电流标准或现场检测，而且在系统 的设计中引入小型实时操作系统，利用多任务管理、实时性、任务之间的通信 等特点，可以使其具备多功能、处理及时、易于控制等优点，并对于缩短开发 周期，增强系统功能的可扩展性有很大的好处。由于课题来源于与南昌新海通 实业有限公司的合作项目，这是本课题的直接应用目的。项目是由用户根据需 要提出的，完成后可直接应用于实际测量，具有实用价值并可带来一定的经济 效益。本课题研究获得成功，可为国内高精度仪表测量的发展和完善起到一定 的推动作用，具有一定的社会效益，为我国的仪器仪表实现智能化贡献微薄的 一点力量。 1 2 国内外研究现状 回顾一下电子仪器的发展过程，从数字技术到电子仪器，使得模拟仪器的 精度、分辨力与测量速度提高了几个等级；由于计算机技术的应用，使得测量 对象从个别电量的测量转变成测量整个系统的待征参数，从单纯的接收、显示 2 第一章绪论 转变为数据处理、计算与显示输出；再到嵌入式系统的发展，导致了微控制器 数字电压表的问世，实现了数字仪表处理的自动化。随着智能仪表的进一步发 展，许多新的处理技术和新的硬件平台得到应用，使仪表精度、可靠性、可维 护性和可测试性都得到了提高。按照事先的安排，微机可以对仪表的主要元器 件进行自动检测、对故障进行定位，还可以对故障部分进行隔离或对系统进行 重组，大大提高了仪表的容错性和可靠性。微机具有自动处理功能，可以自动 进行量程切换、零点和系统误差补偿，测量特性的自动校准，按照一定的规律 自动寻找最优的算法参数，从而极大地提高了仪表的性能。利用微机进行数据 处理从而减小测量误差的方法愈来愈成熟( 包括数字滤波、相关计算、统计分 析处理等) ，同时，模糊识别与模糊控制、人工神经网络建模与识别、专家系统、 多传感器信息融合技术处理方法等，智能水平不断地得到提高，给智能仪器注 入了新的活力。当前，随着用户对测试自动化、网络化、高效率、高可靠性、 界面友好等的不断追求，电子测试技术与通信、计算机技术互相融合的趋势也 越来越明显，测量技术已成为计算机、通信和网络的重要组成部分；电子测量 仪器正在向开放型的v x i 、p x i 模块化方向发展【4 】。机箱和模块趋于标准化，每 个模块有独立的测量功能，用户可根据测试需要，即插即用十分灵活。合成仪 器采用可互换的标准模块、标准电路、标准接口，实现从单元电路至系统 的积木化结构，合成仪器在国外发展很快，已经推动美国、欧洲、日本投入更 多人力物力，开发从器件、模块、子系统至完整的自动测量系统，成为电子测 量仪器追求创新的新动力。 在仪器研制生产过程中，新器件在仪器中的作用越来越重要。c p u 、r o m 、 r a m 、f p g a 、e p l d 、d s p 和a s i c 是现代仪器的核心，它们的运算速度越来 越快、集成度越来越高；在设计技术上，较多采用了e d a 、s m t 、c a m 、c a t 等制造技术，提高了设计水平和产品的制造质量，缩短了生产周期。数字测试 仪器和通用测试仪器不断向高速和实时方向发展。电子测量仪器的测试性能迅 速提高，影响测量精度的不确定度越来越小，测量不断接近其物理极限真 值。整机产品进一步向功能模块化、高集成化方向发展。电子测量仪器在国内 已经采取并继续深入研究的设计技术有：数字化产品、先进的总线技术、v x i 、 p x i 、l x i 、u s b 接口。国外有的企业已经开发出l x i 总线电子测量仪器产品， 国内一些科研院所也已开始着手研究。 软件技术在电子测试技术中所占比重越来越大，是仪器的重要组成部分。 3 第一章绪论 而在智能仪器的发展中，电子测量仪器中的“软件”是电子测量仪器智能化的核心 技术，而且“软件修正测量误差”也是目前修正测量误差既经济又最有效的办法。 模块化设计技术，总线技术( 接口技术) 、软件技术形成三位一体，构成的电子测 量仪器产品具有极强的竞争力。 就数字多用表而言，国外各仪器仪表厂的产品在精度上已经达到8 位半， 例如：f l u k e 公司的8 5 0 8 a 参考级数字多用表【5 】、a g i l e n t 公司的3 4 5 8 a 型 8 5 位数字多用表【6 】、肿公司的3 4 5 8 a 型数字多用表【7 i 等，而且有的产品还扩展 了多项功能，例如：f l u k e 公司的6 5 位高精度数字多用表8 8 4 6 a 还可以测量 电容和温度，计数器、电容表和温度计都已包含在仪器内【5 】。图形显示功能进。 步扩展了仪器的功能：屏幕图形显示实现了无纸记录仪功能，统计分析能力和 直方图显示。 我国研制数字式仪表是从2 0 世纪5 0 年代开始的，经过4 0 多年的发展，其 综合技术指标接近和达到2 0 世纪8 0 年代中期的国际先进水平。我国的电子仪 器为国民经济、科学教育的发展做出了巨大贡献，近年来，电子仪器产品的市 场需求总体上仍一直保持着增长趋势。改革开放以来，国家采取了进一步加大 基础设施建设、扩大内需和拉动经济增长的方针政策，大规模投资通信网络的 建设与改造，这给电子仪器行业带来了不可多得的机遇，电子仪器产品年需求 增量都在显著增加。但较之国外市场，存在着诸如市场总量小发展潜力大，国 外产品垄断高端市场，高级人才短缺，行业内部竞争激烈等特点，在中国的电 子测试市场上，美、欧、日电子测试仪器生产商凭其技术、质量、品牌的优势 牢牢占据着电子测试仪器的高、中端部分，由于国内企业在数字化、智能化水 平和生产工艺上跟不上市场的需求，国产品牌的测试仪器仅仅占据着中低端市 场。究其原因，主要是我国仪器仪表行业对发展基础性、前瞻性、战略性及重 大专项研究的力量薄弱而分散，导致我国仪器仪表行业整体技术水平不高。因 此，我国仪器仪表产业的发展，任重道远。所以无论从国家的角度还是仪器仪 表行业相关的科研机构，企事业单位的角度来说，加大研发投入，注重相关科 研人员的培养，推进相关机制的改革等都是必须考虑且紧迫的问题。 1 3 论文研究内容 本课题主要包括以下几个方面的研究工作： 4 第一章绪论 ( 1 )智能直流表的总体设计 分析研究了智能仪表的设计基础和直流表的技术指标，在对仪器的设计要 求进行充分分析研究的基础上，提出了两种设计方案，在分析各方案可行性的 基础上选择了嵌入式的设计方案，并依次设计了仪器的总体框架，同时指出了 满足仪器测量精度要求的一些硬件上和软件上的措施。 ( 2 ) 智能直流表的硬件实现 根据直流表的各项技术要求和总体框架完成对直流表的各个电路模块的设 计。讨论了该电路核心芯片的选取，设计了包括电源电路、信号调理电路、a d 转换电路、键盘显示电路以及通讯电路等构成系统的所有电路，并对核心芯片 一a d 转换器详细参数进行了分析：详细讨论了3 2 位a r m 7 t d m i 嵌入式芯 片的结构，并对智能直流表的涉及到的a r m 硬件结构进行详细分析。 ( 3 )智能直流表的软件设计 对硬件驱动程序进行了详细分析，引入了可剥夺内核的实时操作系统 t t c o s i i ，分析了t t c o s i i 在a r m 7 微控制器的移植及任务划分与设计，按照 使用功能将应用程序划分成了多个任务，分别进行各个任务的程序设计，完成 了整个系统的程序设计。 ( 4 )电路测试结果和误差分析 阐述了误差的分类和定义，采用误差消除方法，利用a r m 7 微控制器进行 数据处理，给出了实验结果及实验结果分析。总结此次设计的经验与不足，并 提出改进的措施。 5 第二章智能直流表的总体方案设计 第二章智能直流表的总体方案设计 2 1 设计基础 智能仪表是具有测控功能的特殊微机系统嗍。由于承担的任务，应用的场合 不同，各种智能仪表的硬、软件系统差别很大。简单的只含几个芯片和少量程 序，有的其复杂程度甚至超过通用型个人计算机。尽管如此，由于它们都具有 内藏处理器这一特性，因此在结构上仍然存在着一些共同之处，其主要由硬件 和软件两部分组成。硬件部分主要包括信号的输入通道，微控制器及其外围电 路、标准通信接口、人机交换通道，输出通道。输入通道和输出通道用来输入 输出模拟量信号和数字量信号，它们通常由传感器元件、信号调理电路、a d 转 换器、d a 转换器等组成。软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分【纠。 智能仪表的设计则是指通过需求分析，对智能仪表典型结构进行裁减，对仪表 的机械机构、电路结构进行设计与选配，经过建模与仿真、原理设计、样机调 试、修改设计等多个步骤最终以满足仪器的设计要求。 2 2 主要技术指标 ( 1 ) 电压： 测量范围：1 0 m v - 1 1 0 0 v 测量量程：7 5 m v 、1 5 0 m v 、3 0 岫v 、7 5 0 m v 、1 5 v 、3 v 、7 5 v 、1 5 v 、3 0 v 、 7 5 v 、l5 0 v 、3 0 0 v 、6 0 0 v 、1 0 0 0 v 测量精度：0 0 5 级 显示方式：直读显示和分格显示 ( 2 ) 电流： 测量范围：1 5 衅3 0 a 测量量程：15 0 , 、5 0 0 a 、1 5 m a 、3 m a 、7 5 m a 、15 m a 、3 0 m a 、7 5 m a 、 15 0 m a ，3 0 0 m a ，7 5 0 m a ，1 5 a ，3 a ，7 5 a ，15 a ，3 0 a 测量精度：0 0 5 级 显示方式：直读显示和分格显示 6 第二章智能直流表的总体方案设计 2 3 总体方案设计 2 3 1 方案选择 根据目前构成的各种直流表，结合本课题的设计任务要求，提出两种方案 可供选择： 方案一：数字式。方案如图2 1 。 图2 1 数字式设计方案 由电压、电流取样电路可得到u 、i 信号，通过信号调理电路得到电压值， 再经v f 变换把v 转换成频率信号，然后对频率信号的脉冲进行计数，所得结 果即为要计算的电压或电流值，并通过译码由数码管进行显示。 方案二：嵌入式。方案如图2 2 。 图2 2 嵌入式设计方案 通过微控制器对u 、i 信号进行数字化采样和经微控制器运算得到电压或电 流的值。 本课题考虑到国内的现状、构成器件的来源以及微电子技术发展，决定采 用第二种嵌入式方案来进行系统的设计。 7 第二章智能直流表的总体方案设计 理由如下： 嵌入式系统，定义以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可移植， 适应应用系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【3 】。 根据定义，从结构上看，嵌入式系统是由嵌入式硬件、嵌入式操作系统和嵌入 式应用软件三部份组成。嵌入式硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提 供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通讯接口【1 0 】。硬件部分包括微控制器、 存储器、外设器件等：嵌入式操作系统和嵌入式应用软件则是整个系统的控制 核心；操作系统为系统硬件和应用软件提供了应用平台；而嵌入式应用软件实 。现了系统的控制及处理功能。因此，采用嵌入式系统，依靠嵌入式微控制器强 大的处理功能，对前向通道所采集来的电量参数进行处理、存储，并可采用十 分简单的方法通过专用的显示驱动芯片将显示信息送出进行液晶或数码显示， 还可采用数字滤波等算法来保证工作的可靠性。利用计算机具有通信接口的特 点，测试仪表能构成计算机网络系统，使不在现场的工作人员也能通过网络的 功能及时了解现场的情况，完全符合现代工业生产的自动化、管理的科学化要 求。这种带有嵌入式微控制器以及外加接口电路构成的测量仪表被称为微机化 测量仪表，通常简称为智能化仪表，是目前设计时必须考虑的问题。同时，由 于嵌入式硬件的成本不断下降，智能仪表在价格上也具有明显的优势和强大的 竞争力。 这样做还有如下好处： 硬件上能够为其他智能化产品的设计起到借鉴作用，甚至有的单元功能 能够直接拿来用于其他产品开发； 软件上由于采用了基于操作系统的理论，其多任务的程序框架也可以借 鉴、甚至用于同类型的其他产品。 2 3 2 仪表的总体框图 本直流表采用a r m 微控制器作为硬件核心，作为r i s c 结构的3 2 位处理 器，使用3 级流水线，大大提高了指令执行速度，并且超低功耗、价格低廉、 功能强大，具有广泛的应用前景。 信号调理电路是测量适应不同幅度范围而设计的，借助输入电路可将被测 信号衰减或放大，使之限制在一个额定的工作范围内，以便后继电路( 例如a d 转换器) 能正常工作，对于大的被测信号则通过分压电阻进行衰减，小的被测 8 第二章智能直流表的总体方案设计 信号直接用放大器进行放大。在信号的前向通道的最后一个环节，采用一个价 格合适、性能较好的a d 转换器作为模拟信号与计算机之间的接口器件。 直流表对测量结果的输出方式采用液晶显示屏显示。对于这种输出设备， 选用购买成品的方案，这样做可节省开发时间，保证仪器的可靠性。液晶显示 屏选用液晶模块y m l 9 2 6 4 c ，该设备具有接口简单，开发方便，使用可靠等优 点。 直流表在使用过程中要受到使用者的控制，因此直流表应具有键盘，以便 完成使用者与直流表之间的人机交互操作。例如测量类型的选择，量程的选择， 参数设置等。操作键包括：菜单键、光标键、复位键等。 通信电路的增加是满足部分用户将本直流表作为网络传输的一个节点，在 智能仪表中也十分流行。在独立方式工作时，由液晶显示器显示电参量的实测 值。在组网工作方式时，可通过异步串行通讯接口( r s 2 3 2 ) 和上位机通讯。 最后的电源电路是任何一个测量仪表所不可缺少的也是十分重要的一个环 节，而且从某种意义上来说，电源设计的好坏将直接影响仪器的多项性能指标， 近年来已开始受到国内设计者的普遍重视。 根据上面描述的系统各部分功能和性能需求，本系统的原理结构框图如图 2 3 所示： 图2 3 系统结构框图 9 第二章智能直流表的总体方案设计 2 4 仪器测量精度的要求 测量精度要求是对直流表的基本技术要求，也是直流表的一项重要技术指 标。影响直流表测量精度因素很多，要使直流表的测量精度满足技术指标的要 求，就应当抑制或削弱这些因素的影响。为了达到技术指标中对测量精度的要 求，在满足仪器使用环境的基础上，设计中又采取了如下措施： 硬件上： 设计中对信号调整电路中所使用的电阻部分选用了精度为0 1 ，温度漂 移为5 0 p p m 的高精度低温漂的精密电阻，这样既削弱了器件精度对测 量精度的影响，又抑制了由于环境温度造成的器件参数值的漂移。 对于小信号，采用斩波稳零式高精度运放以抑制零点漂移，使直流表能 测量级的电压。采用仪用放大器，对共模干扰有很强的抑制作用。 选用一类型a d 转换器，过采样调制器通过过采样和噪声整形 两大技术对噪声具有显著整形作用，可以将噪声能量从低频段变换到高 频段但又不对信号产生影响。这样通过低通滤波器就可以有效去除噪 声，非常适合用来处理直流信号。 软件上： 对于随机误差，对a d 采样过来的数据进行“中值滤波”，消除信号中“毛 刺”的影响。 对于系统误差，针对“零点”和“满度”，引入误差修正公式，可以在一定 程度上校正测量值的偏差。 在对测量数据进行运算处理时，将“除法”运算放到最后一步进行，这样 可降低处理器在进行运算过程中所产生“舍入”误差。 1 0 第三章智能直流表硬件设计 第三章智能直流表硬件设计 3 1 设计概述 直流表的硬件电路是整个仪表的核心与基础，它的性能的好坏以及工作可 靠与否将直接影响整个仪器的工作性能和可靠性。因此直流表电路的设计是整 个设计过程中一项重要的工作。 根据需要直流测量电路应该具有测量直流电压、直流电流的功能。为了满 足不同要求的分辨率，每种测量功能又具有多个量程，因此对于不同的信号， 电路应该具有满足对被测信号进行获取、放大、变换、接收、处理以及传输等 环节。因此测量电路比较复杂。同时由于电路结构受尺寸空间的限制，因此， 在充分运用现代测试理论和高性能集成芯片的基础上，并参照国内外多种仪器 的技术方案进行硬件电路的设计。具体表现在电路上、包括运算放大器的选择、 分压电路的设计、程控放大器和模拟开关的设计、a d 芯片的选择及a d 转换 电路的设计，c p u 的选型、驱动电路和通信电路的设计以及显示电路、键盘电 路、电源电路等的设计。 3 2 信号调理电路 根据直流表的功能，输入信号调理电路包括电压输入调理电路和电流信号 调理电路两部分，最终目的是进行a d 转换。 3 2 1 电压信号调理电路 电压信号的输入分为高直流电压和低直流电压两种情况，当需要测量高直 流电压时，输入端接入分压电路。但是，分压电路的接入将使输入电阻有所降 低，影响电压测量的灵敏度，因此，由多个电阻组成的分压器，阻值选取时应 考虑其串联阻值之和大于i o m q ，以满足高输入阻抗的要求。而小直流电压则可 不需要分压直接进入。分压器后再使用集成运放构成电压跟随器以改善输入阻 抗。 电路图如图3 1 所示。 第三章智能直流表硬件设计 图3 1 直流电压调理电路 如图3 1 所示，i o m 、1 0 0 0 k 、l o o k 、l o k 四个电阻构成了1 ：1 0 0 0 ；l ：1 0 0 ： 1 ：1 0 ；1 ：l 四条分压电路进行电压信号调理，输入通道的选择采用l p c 2 1 3 4 的i o 口控制继电器切换进行选择。 在直流仪器中常选用斩波放大器，也叫做自动调零放大器【l l j 。它有一个不 1 2 第三章智能直流表硬件设计 断校正偏移电压的第二个放大器。可以消除低频噪声，而且一般集成运放有m v 级的失调电压和每度数g v 的温度漂移，因而集成运放用于0 - 1 0m v 的低电 平放大是十分困难的。因此，集成运放选用斩波稳零式高精度运放i c l 7 6 5 0 1 1 2 1 ， 特点如下： 输入电阻达1 0 0m 2 以上； 极低的输入失调电压：整个工作温度范围( 约1 0 0 。c ) 内只有+ l l x v ； 失调电压的温漂和长时间漂移极低：分别为0 0 1i - l v c 和1 0 0 n v m o n t h 。 3 2 2 电流信号调理电路 测量电路的a d 转换器只能对电压信号进行转换，所以直流电流要变换成 直流电压信号才能进行测量。其方法也很简单，即让被测电流i 通过一个标准电 阻r ，根据欧姆定律，r 上端电压u = r i ，从而完成i 的线性变换。根据电流 大小的不同，3 m a 以上的电流通过电阻转换成m v 级的电压信号后，运用 b u r r - b r o w n 公司的集成仪用运算放大器i n a l 2 8 b 】进行电压放大，其电路特点是 的输入阻抗极高，大约为1 0 1 0 q ，高共模抵制比( c m r ) ，最小1 2 0 d b ，增益调 节方便，g = 1 + 5 0 k f l r g ，其中i 沁选用1 0 k 。3 m a 以下的电流采用斩波稳零式高 精度运放i c l 7 6 5 0 构成反相输入比例电路进行电流电压转换，忽略运放输入端 漏电流，输出电压u 与被测电流i 间满足： u = - r i ， 其中：r 为反馈电阻( 选用了1 0 k 和l k 的电阻) 。 电路图如图3 2 所示。 1 3 第三章智能直流表硬件设计 图3 2 直流电流调理电路 3 m a 以上电流通道的选择采用l p c 2 1 3 4 的i o 口控制创粥5 0 9 进行，而3 m a 以下的电流采用l p c 2 1 3 4 的i o 口控制继电器进行切换。 3 2 3 测量选择 由于直流表中有对直流电压、直流大小电流的测量选择的问题，同时考虑 到选取单芯片能保证每路特性参数的基本一致，减少不必要的误差以及后级可 编程增益放大器和a d 复用的问题，选用多路模拟开关来实现，该直流表中选 用了两片多路模拟开关a d g 5 0 9 ，分别用于选择各路被测信号。 3 2 4 可编程增益放大和量程切换 可编程增益放大器是一种放大倍数由程序控制的放大器。也称为程控增益 放大器，缩写为p g a ”】。由于直流表中多个通道和多个测量参数共用一个放大 器，各通道或各参数送入放大器信号的大小并不相同，导致模拟信号幅值差异 1 4 第三章智能直流表硬件设计 也较大，但最终都要放大至a d 变换器输入要求的电压。因此，对于电压参量 经过运放放大后仍较小时，再通过可编程增益放大器放大，直流表中选用的可 编程增益放大器是美国b u r r - b r o w n 公司的具有低增益误差的p g a 2 0 5 t 1 6 】芯片， 它可采用4 5 15 v 的电源工作，通过与c m o s 与t t l 兼容的输入端来设定增 益，可提供8 级增益，g = l ， 2 ，4 ，8 。通过嵌入式处理器控制p g a 2 0 5 的增益来提高分辨率，同时测量精度也得到了提高。同时对于每个通道的数据 采集，嵌入式处理器控制继电器的选择和程控增益放大器的增益以实现量程自 动切换的功能。具体实现过程将在软件设计中阐述。 输入通道选择和可编程增益放大电路图如图3 2 所示 图3 3 测量通道选择和可编程增益放大电路 3 3 采样电路设计 高精度的a d 器件是实现高精度测量的前提。因此a d 转换器的选取，对 仪器的精确性和实时性有直接的影响。目前在测控领域通常选用的a d 转换器 是逐次逼近型( s a r ) 转换器和一转换器。s a r 转换器特点是精度低，但转 换速率比一转换器高，适用于对精度要求不高的高速场合。对于实现同样的 滤波功能，s a r 转换器常需要- n 五阶的抗混叠滤波器，而一转换器只需简 单的r c 滤波电路就可以。一转换器的特点是将绝大多数的噪声从动态转移 到阻态，常被用于对成本与精度有要求的低频场合【1 7 】。本次设计的直流表要求 的精度为0 0 5 ，如果不考虑噪声，2 0 位为2 2 0 个计数。用2 5 v 参考电压时 的最小分辨率约为2 1 t v ，且使用a d 转换器一般都会出现丢码的情况，即最后 两个或两个以上的码常不稳定。综合考虑后选择美国a d i 公司生产的2 0 位模数 转换器a d 7 7 0 3 1 埽】。它具有线性误差仅为0 0 0 0 3 ，采用过采样转换技术，片内 1 5 第三章智能直流表硬件设计 自校、精度高、成本低等特点，它将是户外智能化仪器仪表和工业过程检测控 制的优良选择。 3 3 1a d 7 7 0 3 简介 ( 1 ) 性能特点 a d 7 7 0 3 采用高质量极低电容电压系数的二氧化硅电容器，可获得优良 的线性度。 a d 7 7 0 3 片内采用自校控制器的数字校准技术，使失调和增益误差减为 最小。 采用_ 一过采样转换技术，提高信噪比和简化芯片模拟电路结构。 输入级采用斩波自稳零技术使a d 7 7 0 3 获得极低的输入漂移。 有灵活的串行接口可使a d 7 7 0 3 很方便地与移位寄存器和工业微处理 器口。 在s l e e p 工作模式下，可使其功耗降到l o p w 。 宽工作温度范围( ( 一般为- - 4 0 一5 ) 和超低电源工作模式，使 a d 7 7 0 3 非常适合于便携式仪器仪表。 ( 2 ) 工作原理 a d 7 7 0 3 是采用l c 2 m o s 工艺集成的单片2 0 位a d 转换器，它由校准微控 制器、校准静态r a m 、20 位- 一a a d c 转换器、模拟调制器、六极点高斯低 通数字滤波器、时钟发生器和串行接口逻辑等组成。 a d 7 7 0 3 以一定的速率对模拟输入信号进行连续采样，采样速率由主时钟 f c l k 决定。采样信号由一a a d c 转换成数字脉冲序列。该序列经六极点高斯低 通数字滤波器处理后以4 k h z 速率更新一个2 0 位的输出寄存器。寄存器中的数 据可从串行口采用同步内时钟或同步外时钟方式读取。 片内用微控制器来控制芯片的自校准，以消除芯片本身的零点误差和增益 误差：同时片内还有系统校准，以消除输入通道的失调和增益误差。校准开始 由外部输入的信号c a l 控制，用户可在任意时刻施加c a l 信号启动a d 7 7 0 3 校准。 。 ( 3 ) 引脚说明 a d 7 7 0 3 为2 0 脚双列直插式封装，图3 2 所示为其引脚排列。 1 6 第三章智能直流表硬件设计 图3 2a d 7 7 0 3 引脚图 各引脚功能如表3 1 所示。 表3 1a d 7 7 0 3 引脚功能 管脚 管脚名功能 编号 串行口方式选择端，m o d e 为1 时为内同步，m o d e 为0 时为外 lm o d e ： 同步： 时钟输入端，当采用外部时钟时，c l k i n 为外时钟输入端， 2c l k r n ： c l k o u t 端不用； 3c l k o u t ： 时钟输出端，当采用内部时钟时，此引脚为内时钟输出端； 41 7s c ls c 2 ： 系统校准方式选择端。可组合选择a d 7 7 0 3 的校准方式； 58 d g n da g e d ： 数字地与模拟地： 1 47 a v d da v s s ： 模拟正负电源，通常为士5 v ； 1 56 d v d dd v s s 数字正负电源，通常为士5 v ； 9 a i n 模拟信号输入端，范围为0 + 2 5 v ( 单极性时) 或士2 5 v ( 双极性时) ； 1 0 v r e f ：参考电源电压输入端，通常接+ 2 5 v 基准电压； 1 1s l e e p ： 睡眠工作方式设置端，此引脚接地时为睡眠工作方式； 单双极性输入方式选择端。低电平时为单极性，高电平时为双极 1 2b p 几胪： 性； 1 3 c a l ：校准控制端，c a l =